Статья: Тайны академических теорий спектров

Энергия ионизации второго электрона атома кислорода равна =35,116 eV, а энергия его связи с ядром атома, соответствующая первому энергетическому уровню, =83,98 eV. Мы обращаем внимание читателей на большие расхождения экспериментальных данных по второму потенциалу ионизации, помещенных в справочниках [А.П. Стриганов] и [А.Н. Зайдель]. Мы с большим доверием отнеслись к новым данным, помещённым в справочнике [А.П. Сториганов]. Учитывая все это, спектр второго электрона атома кислорода оказался таким (табл. 23).

Таблица 23. Спектр второго электрона атома кислорода

Как известно, хлор является 17-м элементом таблицы Менделеева. Потенциал ионизации его 1-го электрона , а энергия связи его с ядром атома, соответствующая первому энергетическому уровню, . Экспериментальные и теоретические значения энергий поглощаемых и излучаемых фотонов этим электроном, соответствующие разным энергетическим уровням, и энергии связи этого электрона с ядром атома хлора приведены в таблице 24.

Таблица 24. Спектр 1-го электрона атома хлора

Медь - 29 элемент таблицы. Потенциал ионизации его 1-го электрона равен , а энергия связи, соответствующая первому фиктивному энергетическому уровню, . Остальные энергетические показатели этого электрона приведены в таблице 25.

Таблица 25. Спектр 1-го электрона атома меди

Первый электрон атома натрия (Na) также имеет наименьшие энергии связи с ядром, поэтому он является главным валентным электроном этого атома (табл. 26). Энергия ионизации первого электрона атома натрия равна , а энергия связи с ядром, соответствующая первому энергетическому уровню, - . Подставляя эти результаты в формулы (17) и (19), найдем (табл. 26).

Таблица 26. Спектр 1-го электрона атома натрия

В таблице 26 приведены теоретические (теор.) и экспериментальные (эксп.) значения энергий фотонов, излучаемых или поглощаемых этим электроном, и энергии его связи (теор.) с ядром атома, рассчитанные по формулам (17) и (19). Обращаем внимание на то, что второй энергетический уровень у этого электрона, также как и первый, фиктивный.

Современные теории образования молекул устанавливают лишь значение энергии, необходимой, как в них трактуется, для переноса одного электрона и оценивают ее равной 1,2 - 1,3 eV. Это энергия связи электрона с ядром неизвестного энергетического уровня.

Как видно из нашего анализа, каждый электрон имеет серию энергий связи. Новая теория позволяет рассчитать эти энергии для любого энергетического уровня электрона и определять номер этого уровня, а значит и расстояние между ядром атома и валентным электроном.

Завершая изложение теории формирования спектров атомов и ионов, отметим важные моменты для тех, кто будет продолжать эти исследования. Прежде всего, это лишь начало. Оно базируется на результатах экспериментов. Если результаты эксперимента отличаются от реального спектра того или иного электрона, то резко усложняется процедура поиска энергии . Поскольку величина этой энергии базируется на значении энергии возбуждения, которая стоит первой в ряду всех энергий возбуждения, соответствующих стационарным энергетическим уровням, то точное определение первой энергии возбуждения играет решающую роль. Но существующие справочники по спектроскопии не отвечают этому требованию. Возьмем, например, энергии возбуждения, соответствующие стационарным энергетическим уровням второго электрона атома углерода.

В справочнике [А.П. Стриганова] содержится следующий ряд этих энергий: 5,33; 9,29; 11,96; 13,71; 13,72; 14,45; 18,04; 19,49; 20,84; 21,49; 22,13; 22,47; 22,57; 22,82; 23,38; 26,58 eV. В справочнике [А.Н. Зайделя] этот ряд имеет такие значения: 9,30; 11,96; 13,72; 14,46; 16,32; 17,62; 18,04; 18,06; 18,66; 19,49; 20,14; 20,84; 20,91; 20,95;22,13; 22,54; 22,56; 22,90; 23,11; 24,27; 24,37; 24,59; 24,64; 25,98; 27,41; 27,47; 27,48 eV.

Подчеркнутые значения энергий совпадают в обоих справочниках, а не подчеркнутые - не совпадают. Как видно, не так легко найти энергию, которая соответствует первому уровню возбуждения. Задача эта, видимо, должна решаться путем увеличения количества справочников, привлекаемых для анализа, и разработки специальной компьютерной программы, которая обеспечивала бы решение поставленной задачи. Если встретятся такие ряды энергий, которые не подчиняются закону (17), то это будет означать, что ячейка такого электрона занимает нестандартное положение в атоме. Не исключено, что в ряде случаев придется повторить эксперименты для более точного определения первого потенциала возбуждения.

А теперь рассмотрим процесс расщепления спектральных линий атома водорода в магнитном поле. Излучение фотонов при отсутствии внешнего магнитного поля - следствие квантования магнитного момента электрона, поэтому закон квантования магнитного момента электрона и энергий излучаемых фотонов должен быть один и тот же и он обязательно должен следовать из спектра атома. Поскольку атом водорода является самым простым атомом, то из экспериментальных значений спектра этого атома легче найти закон квантования энергий излучаемых фотонов или закон, управляющий формированием спектров. Он уже найден (17) [3]. В этой формуле математический символ - энергия фотона, излучаемого электроном при его переходе из свободного состояния на первый энергетический уровень атома. Для атома водорода величина равна энергии ионизации атома .

Энергии, входящие в закон (17) формирования спектра атома водорода имеют следующий физическим смысл: - энергия поглощенного или излученного фотона. - энергия ионизации атома, равная сумму энергий фотонов, после поглощения которых электрон теряет связь с ядром и становится свободным. Она определяется по тому же соотношению, что и энергия фотона . Энергии связи электрона с ядром атома (19) также равны энергиям фотонов. Например, в атоме водорода энергия связи электрона с ядром атома, соответствующая первому энергетическому уровню, равна энергии его ионизации . Поэтому . С учетом этого математическая модель закона излучения и поглощения (17) фотонов электроном атома водорода при его энергетических переходах может быть записана так [3]

,

Как видно (33), при формировании спектра атома водорода квантуются частоты , излучаемых и поглощаемых фотонов, а значит, и частоты вращения электронов относительно своих осей и, как следствие - их собственные магнитные моменты. А где же частота вращения электрона вокруг ядра атома? Нет её. В энергетической модели этого закона (17) нет и энергии, соответствующей орбитальному движению электрона [3].

Удивительный факт. Почти сто лет мы полагали, что электрон в атоме вращается вокруг ядра, как планета вокруг Солнца. Но закон формирования спектра атома водорода (17) отрицает орбитальное движение электрона. Нет в этом законе энергии, соответствующей орбитальному движению электрона, а значит, и нет у него такого движения [3].

Закон Кулона позволяет определить расстояние между протоном и электроном в момент пребывания его на любом энергетическом уровне. Поскольку энергия связи протона с электроном в этом случае равна то при имеем [3]

Подставим в формулы (17) и (19) и , а в формулу (34) - , определённые по формуле (28) из экспериментальных данных. В результате получим теоретические значения (теор.) энергий фотонов, поглощаемых или излучаемых электроном при его энергетических переходах в атоме водорода, которые практически полностью совпадают с экспериментальными (эксп.) значениями этих энергий, энергии связей этого электрона с ядром атома, а также расстояния между протоном и электроном, соответствующие разным энергетическим уровням электрона в атоме водорода (табл. 27, рис. 5) [3].

Таблица 27. Спектр атома водорода, энергии связи между протоном и электроном, и расстояния между ними [3]

Из закона спектроскопии (17) следует, что энергии поглощаемых и излучаемых фотонов при переходе электрона между энергетическими уровнями и рассчитываются по формуле [3]

Нетрудно видеть, что формула (35) аналогична боровской формуле (2). С той лишь разницей, что перед скобками стоит не энергия ионизации атома водорода, а энергия связи электрона с ядром атома в момент пребывания его на первом энергетическим уровне. Для электрона атома водорода она равна энергии его ионизации .

Обратим внимание на то, что для перехода с первого энергетического уровня на второй электрон должен поглотить фотон с энергией [3]

Как видно, эта величина совпадает с результатом расчета (3) по боровской формуле (2). Рассчитаем энергию фотона, излучаемого электроном при переходе со второго энергетического уровня на первый [3].

Отрицательный знак энергии фотона (37) соответствует процессу вычитания этой энергии из общей энергии электрона.

Рис. 6. Схема энергетических переходов электрона атома водорода [3]

А теперь обратим внимание на структуру атома водорода (рис. 6, 7). Это - линейная структура, которую можно представить в виде стержня, на одном конце которого расположен электрон, а на другом - протон. Разноименные электрические поля сближают протон и электрон, а одноименные магнитные полюса ограничивают это сближение. Из этого следует, что векторы магнитных полей электрона и протона в атоме водорода направлены противоположно друг другу (рис. 7).

Рис. 7. Схема модели атома водорода: - электрон, - протон

Известен экспериментальный факт сближения траекторий поляризованных фотонов с одинаковой циркулярной поляризацией, то есть со спинами направления которых совпадают [3].

Рис. 8. Первая схема прецессионного взаимодействия протона с электроном в магнитном поле

Аналогичное явление происходит и при взаимодействии спинов электрона и протона. Процесс соединения протона с электроном протекает устойчивее, если они будут вращаться в одну сторону. В результате векторы их спинов будут также направлены в одну сторону (рис. 7). Это возможно лишь в том случае, когда у одной из этих частиц направления магнитных моментов и спинов будут совпадать, например, у электрона, а у другой - протона направления аналогичных векторов будут противоположны (рис. 7).

Рис. 9. Вторая схема прецессионного взаимодействия протона с электроном в магнитном поле в момент формирования атома водорода

Считается, что отрицательный заряд электрона делает направления векторов его спина и магнитного момента противоположными [1]. Поскольку электрон получил отрицательный заряд, а протон положительный не в результате какого-то эксперимента, а в результате соглашения между учеными, то вопрос об истинном взаимном направлении векторов спинов и магнитных моментов у этих частиц остаётся пока открытым. Дальше мы увидим, что вариант, когда у электрона направления этих векторов совпадают, а у протона - противоположны, наиболее предпочтителен. Поэтому на данном этапе поиска мы принимаем направления векторов и у электрона совпадающими, а у протона - противоположными. Тогда модель атома водорода будет такой, как показана на рис. 7 [3].